原創： HORIBA HORIBA科學儀器事業部 

快節奏的都市生活，讓電子程序啟動的每分每秒都變得煎熬；

若是電子設備運行速度能加快100倍，那是怎樣的一種體驗？

電腦提速100倍看似困難，卻并非無法實現。德克薩斯理工大學電氣與計算機工程學院的副教授何瑞博士（Rui He, Ph.D.）正在從事相關研究，她的新研究課題——新型二維材料“三碘化鉻”，為提高電腦等電子設備的運行速度提供了希望。

圖片來源：pixabay

設備提速的核心是什么？

探究電腦提速的方法前，讓我們先了解一下電子設備的重要組成元件——微電路。

微電路是一種高度微型化的集成電路，集中了數百萬甚至數十億的電子元件。這些微電路集中在不超過指甲大小的微小硅片基底上，成為電傳導和傳輸的工具的核心。

要想提高電子設備的運行速度，需要提高電流通過微電路的速度。而提高電流速度的關鍵，就是尋找性能更加優異的微電路基底材料，并探究適合微電路快速運行的環境條件。這也是何瑞博士的工作重點。

“人們一直在努力使電子設備更快，更節能。因此，我們希望通過研究材料的基本特性、了解這些材料發揮優勢所需的環境條件，幫助人們設計和制造性能更好的設備。”何瑞博士如是說道。

何瑞博士

德克薩斯理工大學

電氣與計算機工程學院

有望提速100倍的新材料

不同于常見的硅片等微電路基底材料，2D層狀材料的原子在層內緊密結合，而各層之間的相互作用反而弱得多。因此，通過控制二維材料的層數，可以調整其光學和電子屬性。這使得2D材料成為制備電子設備基底的選擇。

何瑞博士研究的2D層狀材料不僅包括傳統的二維材料，如石墨烯和二硫化鉬，也包括新型2D材料“三碘化鉻”。

何瑞博士談及此項研究時頗為高興，“2D材料三碘化鉻是一種高磁導率的鐵磁材料，我們主要研究它的磁激發特性。在研究過程中，我們發現了太赫茲頻率的自旋波，它的頻率比傳統鐵磁材料高得多，這將為制造超快自旋電子器件開辟新機會。”

“不僅是制備超快自旋電子器件，我們知道電腦使用的是千兆赫處理器，如果能將新型2D鐵磁材料應用到處理器上，可能會使電腦運行速度提高100倍甚至更多。”

Tips: 

太赫茲頻率的自旋波：頻率在0.1~10 THz的電磁波，波段能夠覆蓋半導體、等離子體，有機體和生物大分子等物質，具有重要應用價值。

自旋電子器件：一種利用自旋相關效應的新器件，具有非揮發、低功耗、高速和高集成度的優點。

這項新型2D磁性材料研究由何瑞博士與密歇根大學Liuyan Zhao博士，以及加拿大滑鐵盧大學的Adam Tsen博士合作完成，并發表在Nature Communications。

零下228℃下的優異性質

提升設備速度的新型材料已經找到，但如何發揮其佳物理特性還是個難點。

何瑞博士的一項重要研究便是探尋三碘化鉻材料在零下263.15℃（接近零度）條件下的物理特性，包括磁性、晶格振動以及電子遷移情況。

為什么要在如此低的溫度下探究三碘化鉻的物理特性呢？如果這些特性只存在于低溫下，是否還有必要進行研究呢？

何瑞博士表示，材料的物理性質可能會隨著溫度的變化而發生顯著變化。例如，有些材料處于零磁場，但如果周圍溫度足夠低也能表現出磁性，三碘化鉻就是典型例子，它在低于約45開爾文（-228.15℃）的溫度下就具有磁性。因此，為了探索這些材料發揮佳物理性質的條件，我們需要將樣品冷卻到低溫。

現在的研究只是開端，這些特性可能當前只存在于低溫環境下，但隨著制備技術和材料基礎研究的快速發展，我們有望找到在較高溫度下也能表現出所需電磁性質的新型2D材料。

材料表征的技術——拉曼光譜

為了表征超低溫下2D材料的物理特性，何瑞博士使用 HORIBA LabRAM HR Evolution 顯微共焦拉曼光譜儀進行研究。

“HORIBA 超低溫樣品臺及超低波數附件可以檢測低至5cm^-1的拉曼信號，這為我們研究材料的各種特性，包括層間相互作用及電子和磁激發特性等提供了很大便利。HR Evolution的2D和3D共焦成像功能對于研究也十分有利。“

HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀

雖然這些新型材料可能需要很久的時間，才能投入實際應用，但科學家們對這一材料的基礎研究為后期的實際工業應用奠定了良好基礎，我們有望利用這些特性生產性能更好的設備。屆時，電腦運行速度提升100倍甚至更多將不再是夢。

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